(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イネ科植物の幹部分において、当該幹部分から芯部分及び実部分を除いた皮部分であって、前記芯部分、実部分及び皮部分の全てを含む幹部分全質量に対する質量％が３０質量％以下の外表面側部分である皮部分を分離し、分離された皮部分を炭化処理して炭素材料を得る炭素材料の製造方法。
【請求項２】
前記炭化処理において、前記皮部分を加熱し炭化する加熱温度は、４００℃以上９００℃以下であり、且つ、加熱時間は、５分以上１２０分以下である請求項１記載の炭素材料の製造方法。
【請求項３】
比表面積が、２００ｍ2／ｇ以上６００ｍ2／ｇ以下の炭素材料を得る請求項１又は２記載の炭素材料の製造方法。
【請求項４】
前記イネ科植物が、さとうきびである請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項５】
前記イネ科植物が、ソルガムである請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電気二重層キャパシタの分極性電極の主成分として用いられる活性炭として、サトウキビバガスから得られる炭素物をアルカリ賦活して活性炭を得ることが提案されている。
【０００３】
この文献に開示の技術において、原材料とされるサトウキビバガス（サトウキビの搾りかす）は、製糖工場用などの熱源や製糖工場用などの発電材料としては処理しきれずに、かなりの量が廃棄物になっているものであり、従来、熱源や発電材料として利用される他、紙、土壌改良材および吸着材としても利用されている。
【０００４】
この文献では、サトウキビバガスは、毛管由来のハニカム構造を有する繊維状の堅い外皮部分と、その中心部分である柔細胞から成る髄部分（すなわち、ピス部分）とから構成されると説明されており、開示の技術では、サトウキビバガスを当該外皮部分と当該髄部分とに分離して、それら各部位（外皮部分及び髄部分）から得られる活性炭についての詳細な検討を行い、外皮部分から得られた炭素物をアルカリ賦活することで、電気二重層キャパシタの分極性電極として好ましい活性炭を効率よく得ることができると説明されている。
【０００５】
ここで、活性炭は、炭化、賦活の各工程を経るものとされており、外皮部分と髄部分との割合は、サトウキビバガス状態で、外皮部分１８（７２％）に対して髄部分７（２８％）とされている（段落〔００２０〕）。この例で示される炭化物のBET比表面積は約２０ｍ2／ｇであり（段落〔００２７〕）、活性炭のＢＥＴ比表面積は３０００〜３５００ｍ2／ｇである（段落〔０００６〕）。
即ち、この特許文献で得られる結果物に要求される特性は、電気二重層キャパシタへの用途等に鑑みて、比表面積が３０００以上のものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３７７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、サトウキビを炭素材料の出発原料として考えた場合、炭素材料の用途は、比表面積が低いものから高いものまで様々である。比表面積が比較的低い（例えば、２００程度）ものでよい用途としては、脱臭用吸着剤、排ガス処理用吸着剤等の用途がある。一方、比較的高い（例えば、３０００程度）ものの用途としては、電気二重層キャパシタ等の用途がある。
【０００８】
従って、任意の比表面積の炭素材料を考えた場合、その比表面積の炭素材料に適した用途がそれぞれ存在するが、同一の比表面積を有する炭素材料を考えた場合、比較的簡易な手法で、且つ高い炭化収率で炭素材料が得られることが好ましい。この点に関して、発明者らの検討では、特許文献１に開示の技術には、改良の余地があった。
本発明は、炭素材料として、その比表面積が１００〜数１００ｍ2／ｇ程度の炭素材料を簡便に得ることを対象とする。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、比較的簡便な方法且つ高い炭化収率で、例えば、２００程度の比表面積の炭素材料を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための炭素材料の製造方法は、イネ科植物の幹部分において、当該幹部分から芯部分及び実部分を除いた皮部分であって、前記芯部分、実部分及び皮部分の全てを含む幹部分全質量に対する質量％が３０質量％以下の外表面側部分である皮部分を分離し、分離された皮部分を炭化処理して炭素材料を得ることにある。なおここで、イネ科植物には、さとうきび（農林８号、モンスターケーン）など製糖・アルコール発酵に好適に供されているものを含むほか、同じイネ科植物のエリアンサスやとうもろこし、ソルガムなども含まれる。
【００１１】
本発明の炭素材料の製造方法は、皮部分の分離処理と、分離された当該皮部分の炭化処理を経て、炭素材料を得る。即ち、２工程で、所望の炭素材料を得ることができる。
ここで、本発明では、この皮部分の質量％（重量％）を、外表面側の３０質量％以下の部分とする。先に説明した特許文献１に開示の技術において使用される外皮部分に比較すると、半分以下の外表面側部位を炭化処理の対象とする。
発明者らの検討によると、このように幹部の外表面側に偏った特定部位を原料とする場合、幹部分の断面構造に依存して、単一回の炭化処理を皮部分に施すことにより、その部位の組織構造を大きく毀損することなく、炭素材料として、先に説明した目的に合致する比表面積の炭素材料を、比較的高い炭化収率で得ることができる。
【００１２】
ここで、皮部分の質量％が、上記の３０質量％より大きくなると、比表面積の低下をもたらし、同時に炭化収率の低下をもたらす。この原因は、本発明において実部分として分類する部位を含むこととなるためである。
一方、皮部分の質量％が小さい場合は、炭素材料の生産量が低下するため好ましくない。発明者らは、生産量を維持することができる質量％の下限値は１５質量％と考えている。
【００１３】
前記炭化処理において、皮部分を加熱し炭化する加熱温度は、４００℃以上９００℃以下であり、且つ、加熱時間は、５分以上１２０分以下であることが好ましい。
加熱温度を、９００℃以上とすると、過剰な温度による構造破壊が出やすい。一方、４００℃以下とすると、炭化を充分促進することができず、生産効率が低下する。
加熱時間に関しては、１２０分以上としても炭化をそれ以上に進めることが実質的にできず、５分以下であると、炭化を充分促進することができない。
【００１４】
上記のような工程を経ることで、その比表面積が、２００ｍ2／ｇ以上６００ｍ2／ｇ以下で、全細孔容積が、０．０８ｃｍ3／ｇ以上０．２４ｃｍ3／ｇ以下程度の本願の目的に合致する炭素材料を、簡単な工程を経て、炭化収率が比較的高い状態で得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、安い原料費と比較的簡単な製造工程でもって、実用性の高い有用な範囲の比表面積を有する炭素材料を、炭化効率を確保して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の炭素材料の製造工程を示す説明図
【図２】サトウキビ全体及び各部分と炭化収率との関係を示す図
【図３】サトウキビを炭化処理して得られる炭素材料における各部位と比表面積との関係を示す図
【図４】サトウキビの皮部分を炭化処理して得られる炭素材料のＳＥＭ写真
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本願に係る炭素材料の製造方法及び当該製造方法により製造される炭素材料に関して、図面に基づいて説明する。
説明に際しては、（１）炭素材料の製造、（２）炭素材料の特性の順に説明するが、本発明では、イネ科植物（さとうきび、エリアンサス、とうもろこし、ソルガム等）に関して、その幹部を断面方向で「芯部分」「実部分」「皮部分」の各部分に分類して取り扱うため、本発明の「芯部分」「実部分」「皮部分」と、先に説明した特許文献１に開示の「髄部分」「外皮部分」との関係について、まず、サトウキビを例にとって説明する。
【００１８】
サトウキビは、その断面構造を、皮、実及び芯に分けることができる。ここで、皮は、サトウキビの断面で最も外表面側に位置する部位であり、芯はサトウキビの断面で中心側に位置する部位である。そして、実は、これら皮と芯との間に位置する部位となる。通常、サトウキビは、実質的に、この実を圧搾することで精糖原料を得る。
【００１９】
これら各部のサトウキビ全体に占める割合（サトウキビの根元近傍及び先端近傍を除く中間の幹部分における、サトウキビ全質量に対する各部の質量割合で、質量パーセントとしたもの）は、皮部分が約２１質量％程度（３０質量％以下）であり、実部分が約５６％質量程度（４０質量％〜６５質量％）であり、芯部分が約２３質量％程度（３０質量％以下）である。
【００２０】
一方、サトウキビバガスは、上記圧搾後に得られる絞り糟であり、特許文献１に開示の技術では、段落〔００２０〕にも記載されているように、毛管由来のハニカム構造を有する繊維状の堅い外皮部分と、その中心部分である柔細胞から成る髄部分（すなわち、ピス部分）とに分けて、当該外皮部分を炭素材料の原料とする。
ここで、特許文献１では、当該サトウキビバガスにおける、外皮部分と髄部分との重量比は、外皮部分１８（７２％）に対して髄部分７（２８％）とされており、特許文献１の外皮部分は、髄部分を除いた部分と解される。
【００２１】
従って、特許文献1の外皮部分は、本発明における皮部分と実部分とを含んだ部位と考えられる。ここで、本発明における皮部分は、特許文献１の外皮部分の幹部分の断面でみて、外皮側に位置する一部部位を意味する。
【００２２】
以上が、本発明と特許文献１とのサトウキビの各部分の説明であるが、以下、本発明の分類の下に、サトウキビを例にとって、（１）炭素材料の製造、（２）炭素材料の特性の順に説明する。
【００２３】
（１）  炭素材料の製造
本発明に係る炭素材料の製造方法の手順を図１に示した。
同図に示すように、炭素材料は、サトウキビから本願にいう皮部分を分離する皮分離処理を施した後、得られた、皮部分に対して炭化処理を施すことで、目的物である炭素材料を得ることができる。
【００２４】
皮分離処理（＃０１）
この処理は、サトウキビ自体について、その皮部分を分離する処理である。
例えば、サトウキビに関して、その皮部分のみを皮剥きの要領で分離することで、所謂、芯部分及び実部分が分離された皮部分を得ることができる。
本発明にあっては、先にも示したように、最外表面側に位置する皮部分のみを原料とするため、サトウキビベースでその質量％が１５〜２５％程度（３０％以下）となる皮部分のみを分離する。即ち、特許文献１で示される外皮部分と髄部分との分離操作に対して、外皮部分の外表面側の一部のみを分離する。ここで、分離に際しては、一対のローラ間に、所定長さに切断されたサトウキビの幹部分を挿入・落下させて皮剥ぎを行う工程を、幹部の移動方向に複数段備えるとともに、落下物を、その大きさ、重量に従って分類するケーンセパレーターを使用することで、所望の部位の分離を行うことができる。
【００２５】
炭化処理（＃０２）
この処理に到るまでに、サトウキビの皮部分は乾燥している。そこで、所定の乾留状態で、炭化処理を施す。この処理における、皮部分を加熱し炭化する加熱温度は、４００℃以上９００℃以下（具体的には８００℃）であり、且つ、その加熱時間は、５分以上１２０分以下（具体的には６０分）とした。ただし、常温から加熱温度までの昇温時間は、６０分程度とし、雰囲気として、無酸素条件であるヘリウム雰囲気を使用した。
このような処理を経て、本願に係る炭素材料を得ることができる。
【００２６】
（２）炭素材料の炭化収率及び物性
上記の処理を経て得ることができる、炭素材料の炭化収率及び物性について説明する。
評価対象とした炭素材料のサンプル数は１５とした。
炭化収率
炭化収率は〔得られた炭素材料の重量〕／〔炭化処理の対象とした部位の重量〕を意味する。
図２に、炭化処理の対象としたサトウキビの幹部分の全量、皮部分、実部分及び芯部分の炭化収率を示した。同図において、図面上の表記は、記載順に全量、皮、実及び芯とした。
同図からも判明するように、皮部分の炭化収率が最も高く、全量、芯部分、実部分の順に炭化収率が低下している。従って、本発明のように皮部分を分離して、皮部分のみを炭素材料の原材料とすることで、炭化収率を高い状態とすることができることが判る。
【００２７】
比表面積
比表面積（ｍ2／ｇ）はＢＥＴ法により測定した。
図３に、炭化処理の対象としたサトウキビの幹部の皮部分、実部分及び芯部分の比表面積を示した。同図において、図面上の表記は、図２と同様に前記記載順に皮、実及び芯とした。
同図からも判明するように、皮部分のＢＥＴ比表面積が最も高く、実部分、芯部分の順に比表面積が低下している。従って、本発明のように皮部分のみを分離して、皮部分を炭素材料の原材料とすることで、ＢＥＴ比表面積を、本発明の目的に合致する高いものとすることができることが判る。
【００２８】
炭素材料の構造
上記のようにして、皮部分のみを炭化処理して得られた炭素材料のＳＥＭ写真を図４に示した。同図には、最上段（倍率５０倍）に、拡大観察対象とした各部位の位置を示した。中上段、中下段及び最下段の画像の倍率は、夫々、１０００倍、１００００倍、及び３００００倍である。
左側の画像は、皮部分に存在する「維管束」部位が炭化された部位と考えられる。右側の画像は、皮部分に存在する繊維束である隔壁の微小な凹部、孔部と考えられ、その部位が炭化されていることが判る。
【００２９】
本発明にあっては、皮分離処理、炭化処理といった簡単な操作で、所望の比面積の炭素材料を比較的高い炭化収率で得ることができるが、その理由は、本願が原材料とするサトウキビの皮部分は、画像からも判明するように独特の微細構造を有し、炭化処理によっても、その構造を破壊することなく炭化を行えるため、本願目的に合致した炭素材料を得ることができたものと考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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